集成微流控芯片技術(shù)在生物醫學(xué)和生物物理學(xué)領(lǐng)域展現了巨大的潛力，它能夠實(shí)現細胞分離、捕獲以及檢測單細胞等多種功能。液體的交換和微流控芯片的集成也起著(zhù)關(guān)鍵性作用，這使得研究者能夠精確調控細胞外環(huán)境，并同步刺激與檢測單個(gè)細胞，從而實(shí)時(shí)觀(guān)察到細胞響應的細致與動(dòng)態(tài)變化。為了精確測量細胞在刺激下的瞬態(tài)反應，高速液體交換和精確的測量技術(shù)也變得至關(guān)重要。

在本研究中，來(lái)自日本名古屋大學(xué)、東京大學(xué)和東北大學(xué)的團隊研發(fā)了一種集成了微流控芯片和雙泵探針的系統來(lái)測量單個(gè)細胞瞬態(tài)響應的新方法。該系統由雙泵探針、微流控芯片、光學(xué)鑷子、外部機械臂、外部壓電執行器等組成。研究團隊將雙泵探針集成在一起，以實(shí)現高速液體交換，并通過(guò)局部流控制技術(shù)，確保芯片上的單個(gè)細胞接觸力檢測幾乎不受干擾。借助該系統，研究團隊能夠以很高的時(shí)間分辨率精確測量細胞對滲透性沖擊的瞬態(tài)響應。

相關(guān)研究以“Integration of Microfluidic Chip and Probe with a Dual Pump System for Measurement of Single Cells Transient Response"為題發(fā)表在國際著(zhù)名期刊《Micromachines》上。

首先，團隊設計了雙管移液器，并與兩個(gè)壓電泵組裝成了一個(gè)能夠同時(shí)進(jìn)行液體注射和抽吸的雙泵探針系統。該探針尖部由摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（nanoArch® S130，精度：2 μm）制備而成。然后，研究人員制備了帶有探針的微流控芯片，并對集成的力傳感器進(jìn)行了校準。

圖3. (a) 力測量過(guò)程的概念；(b) 探針和力傳感器的圖像；(c) 作為彈簧力傳感器的空心折疊梁結構；(d) 力傳感器的校準數據和理論值示例（藍色點(diǎn)表示校準后使用力傳感器測量的數據，橙色曲線(xiàn)表示理論值）；(e) 通過(guò)測量傳感器探針位移數據的3σ來(lái)評估力傳感器的穩定性。D0: 原始細胞直徑；δs, δp: 傳感器和探針的位移；L: 梁結構的長(cháng)度；σ: 標準偏差。

接下來(lái)，研究團隊對雙泵探針系統的性能進(jìn)行了細致的表征，并深入研究了分析位置和面積對液體交換時(shí)間的影響。此外，團隊還通過(guò)優(yōu)化注射電壓，確保了液體濃度變化的完整性，使得平均液體交換時(shí)間縮短至約3.33毫秒。實(shí)驗結果表明，力傳感器在液體交換過(guò)程中僅受到輕微干擾。利用這一系統，團隊成功測量了滲透壓沖擊下Synechocystis sp. PCC 6803菌株的變形和反應力，平均響應時(shí)間約為16.33毫秒，從而揭示了在毫秒級滲透壓沖擊下壓縮的單個(gè)細胞的瞬態(tài)響應。

圖4. (a) 使用光學(xué)鑷子系統捕獲并定位單個(gè)細胞在兩個(gè)芯片探針之間；(b) 使用外部壓電執行器壓縮目標細胞；(c）利用3D機械臂將探針尖部移動(dòng)到預定位的位置；(d) 從注射桶注入LOC溶液，同時(shí)從抽吸桶抽吸探針尖部下方的液體，此時(shí)細胞外環(huán)境從HOC溶液變?yōu)長(cháng)OC溶液；(e) 外部壓電執行器釋放探針，并將探針尖部沿垂直方向遠離芯片表面。

圖5. 分析區域的位置和面積對評估液體交換時(shí)間的影響。(a) 測量區域的顯微鏡圖像。不同顏色的圓圈表示用于分析灰度級的位置，相鄰的圓圈描述了相應的液體交換時(shí)間。(b) 分析區域的位置對評估液體交換時(shí)間的影響。擬合曲線(xiàn)的顏色與分析區域的顏色相對應。（c）分析在直徑為2、4和6 μm的同心圓形區域（綠色圓圈）中液體交換期間灰度值的變化。

此外，為了準確評估液體交換對傳感器探針的干擾，研究團隊用與Synechocystis sp. PCC 6803菌株具有相似楊氏模量和大小的聚二甲基硅氧烷（PDMS）珠代替了細胞，因為聚二甲基硅氧烷珠的體積不受滲透壓變化的影響。研究結果顯示，在傳感器探針的位移數據中幾乎不能觀(guān)察到與液體交換相關(guān)的干擾。并且，與層流法中封閉式微流控芯片內由液體交換引起的干擾相比，具有雙泵探針系統實(shí)現了局部液體交換，從而顯著(zhù)降低了液體交換過(guò)程下的干擾，提高了力傳感器的測量精度。

圖6. 注入電壓對液體交換程度和液體交換對位移測量的干擾的影響。(a) 注入電壓對液體交換程度的影響。當注入電壓超過(guò)20伏時(shí)，灰度值的變化趨于穩定，這意味著(zhù)細胞外溶液已交換；(b) 液體交換期間灰度級變化和相應的傳感器探針干擾。

綜上所述，研究團隊開(kāi)發(fā)了一個(gè)集成了微流控芯片和雙泵探針的系統，用于研究單個(gè)Synechocystis細胞的瞬態(tài)響應。該系統能在芯片表面局部快速地進(jìn)行液體交換，且對周?chē)h(huán)境干擾極小。系統的平均液體交換時(shí)間約為3.33毫秒，比之前的成果快了100倍以上，甚至比細胞對滲透壓變化的響應時(shí)間還要快，這使得能夠更精確地揭示單個(gè)細胞的瞬態(tài)反應。由于MS通道能夠感知膜張力，細胞的壓縮或膨脹揭示了MS通道的特征。本研究的成果證明了所開(kāi)發(fā)系統在準確研究單個(gè)細胞響應方面的有效性，并為生物物理學(xué)和生物醫學(xué)領(lǐng)域的未來(lái)研究提供了有益的見(jiàn)解。